JP3547004B2

JP3547004B2 - Method of manufacturing semiconductor wafer doped with nitrogen

Info

Publication number: JP3547004B2
Application number: JP2000261546A
Authority: JP
Inventors: フォンアモンヴィルフリート; ヴァイトナーヘルベルト; ツェムケディルク; フライクリストフ
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: DE19941902A1; EP1081254B1; EP1081254A1; TW573083B; JP2001106590A; US6350314B1; KR20010061924A; KR100394971B1; DE50000043D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＮＨ_３を含有するドーピング物質ガスから由来する窒素をドープした半導体ウェハを製造する方法に関する。該方法は、半導体材料の溶融物から単結晶を引上げる工程及び引上げた単結晶から窒素をドープした半導体ウェハを分離する工程を含む。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶から半導体ウェハを分離することは通常のことである。単結晶は、ゾーン移動（floating zone methode、ＦＺ法）によるか、又は坩堝内に入れられた溶融物の引上げ（Czochralski-Methode、ＣＺ法）により得られる。米国特許第４,５９１,４０９号明細書には、ＣＺ法により引上げられた単結晶内の窒素の均一な分配を達成することを目的とした方法が記載されてる。この方法によれば、引上げ工程中に酸化二窒素のようなガスの存在を保証すべきである。学問的文献においては、窒素ガス、又はヘリウムとＮＨ_３の混合物を溶融したシリコンと反応させることが報告されている（W. Kaiser, C. D. Thurmond, J. Appl. Phys. 30, No. 3, 427-431 (1959)）。しかしながら、該刊行文献からは、如何にすれば窒素を所定の濃度でかつ均一に分配して含有する半導体ウェハを再現可能な方法で得ることができるかは想到することはできない。再現可能なドーピングは、ＮＨ_３の熱的不安定性のために適当な手段を用いないと達成不可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、窒素を所定の濃度でかつ均一に分配して含有する半導体ウェハを再現可能に得ることができる方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、本発明により、ドーピング物質ガスを半導体材料に供給する、半導体材料の溶融物から単結晶の引上げる工程、及び引上げた単結晶から窒素をドープした半導体ウェハを分離する工程を含む、ＮＨ_３を含有するドーピング物質ガスから由来する窒素をドープした半導体ウェハを製造する方法において、ドーピング物質ガスを半導体材料に最大、単結晶の一部の引出しが開始されるまでの間供給し、該単結晶から半導体ウェハを分離することにより解決される。
【０００５】
本発明による方法は、前記の米国特許明細書に記載された方法と比較すると、単結晶内の窒素の軸方向の分布が均一である、即ち単結晶内の窒素濃度の軸方向の勾配があまり際立っていないという利点を有する。さらに、本方法により、ドーピング物質ガスから由来する酸素が引上げ装置内の黒煙含有の組込み部材を腐食させ、ＣＯを生成しかつその結果半導体材料を炭素で不純化することが回避される。
【０００６】
本発明によれば、引上げ装置内での単結晶の引上げ工程中に、最大、半導体ウェハへのさらなる加工が予定されている単結晶の部分が引上げられるまでの間、半導体材料にドーピング物質ガスを接触させることを提案する。単結晶の上記部分は、円柱状の形を有する単結晶、即ち直胴部の全部又はほぼ全部の区分を意味する。この区分に境を接する円錐状の区分、即ち肩部及び尾部は、半導体ウェハに加工しないのが有利である。半導体材料へのドーピング物質ガスの供給の終了後に、単結晶を従来の方法で例えば純粋な不活性ガス雰囲気中で最後まで引上げる。
【０００７】
ＣＺ法により引上げる場合には、半導体材料とドーピング物質ガスの接触は、好ましくは早くとも、坩堝内に入れられた半導体材料が完全に溶融した際に開始すべきである。ＦＺ法により移動させる場合には、半導体材料とドーピング物質ガスの接触は、好ましくは早くとも、いわゆるネック部の移動が既に開始した際、好ましくはネック部の移動が既に終了しかつ円錐部（肩部）始点が移動する際に開始すべきである。この場合には、半導体材料へのドーピング物質ガスの供給は、単結晶の直胴部の移動が開始する前に終了する。
【０００８】
ドーピング物質ガスは、一定の貫流速度及びＮＨ₃の一定の濃度で一定時間にわたり引上げ装置を貫流させる。好ましくは、ドーピング物質ガスは冷却した状態で供給する。また好ましくは、ドーピング物質ガスを溶融液状の半導体材料の自由表面に向けて導く。例えば、ガス流を冷却した管（特にＦＺ法の場合）を通して又は引上げるべき単結晶を包囲する熱シールド（特にＣＺ法の場合）を通して溶融物の自由表面に接近させて誘導する。さらに、磁力線が軸方向に配向された磁界内で単結晶を引上げるのが、ＣＺ法の場合には単結晶内の窒素の軸方向で均一な分布のために有利であることが立証された。
【０００９】
溶融物内の窒素の高すぎる濃度の存在は単結晶の成長を妨害することがありかつ溶融物内に溶解した窒素は実際にもはや溶融物から飛散することができるないことが判明した。従って、単結晶内の窒素の濃度は５×１０^１５ａｔ／ｃｍ^３、好ましくは３×１０^１５ａｔ／ｃｍ^３以上に上昇させないのが特に有利である。それに相応して、引上げ室を通るドーピング物質ガスの貫流速度、ドーピング物質ガス内のＮＨ_３の濃度及び半導体材料とドーピング物質ガスとの接触時間は、限界値をできるだけ上回らないように選択すべきである。典型的には、例えば３０〜１２０ｋｇの重量でＣＺ法により１つの単結晶を引上げるためにはＮＨ_３０．０１〜２０Ｎｌ（Normliter）、好ましくは０．１〜３Ｎｌの全量で十分である。それというのも、提供されたＮＨ_３のほぼ２５〜５０％の窒素が溶融物表面に向けられた有効ガス誘導の際に半導体材料によって吸収されるからである。あまり有効でないガス誘導の際には、ドーピング物質ガスの需要は相応して増大する。
【００１０】
ドーピング物質ガスとしては、ＮＨ₃を含有するガス、好ましくはＮＨ₃と不活性ガスの混合物、特に好ましくはＮＨ₃／アルゴン混合物を準備する。
【００１１】
記載の方法で製造した単結晶を、公知方法で、好ましくはワイヤーソー又は内周刃ソーを用いて所望の厚さの半導体ウェハに分割する。通常は、実質的に円柱状の形を有する単結晶の区分のみを完全に又は部分的に半導体ウェハに分割する。
【００１２】
【実施例】
ＣＺ法により２００mｍの直径を有する単結晶を引上げた。単結晶の直胴部成長段階の開始前に、ＮＨ_３０．２％及びアルゴンのガス混合物を３．６ｌ／分の引上げ室を通過する貫流速度で溶融物上に誘導した。直胴部成長段階を開始するために、引上げ室をなおアルゴンだけで洗浄した。単結晶の引き続いての検査により、単結晶の、種結晶に境を接する区分の領域における約１×１０^１４ａｔ／ｃｍ^３の窒素の濃度、及び単結晶のこの区分の終端部までの、約１０^- ^３の偏折係数に相応するに過ぎない窒素濃度の上昇値が判明した。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor wafer doped with nitrogen you derived from dopant gas containing N H _3. The method includes the steps of pulling a single crystal from a melt of semiconductor material and separating a nitrogen-doped semiconductor wafer from the pulled single crystal.
[0002]
[Prior art]
It is common to separate a semiconductor wafer from a single crystal. Single crystals are obtained by zone movement (floating zone method, FZ method) or by pulling the melt placed in a crucible (Czochralski-Methode, CZ method). U.S. Pat. No. 4,591,409 describes a method aimed at achieving a uniform distribution of nitrogen in a single crystal pulled by the CZ method. According to this method, the presence of a gas such as nitrous oxide during the pulling process should be ensured. Academic literature reports that nitrogen gas or a mixture of helium and NH ₃ is reacted with molten silicon (W. Kaiser, CD Thurmond, J. Appl. Phys. 30, No. 3, 427). -431 (1959)). However, it is impossible to imagine from the publication how to obtain a semiconductor wafer containing nitrogen at a predetermined concentration and uniformly distributed in a reproducible manner. Reproducible doping is unattainable unless using suitable means for thermal instability of NH _3.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method capable of reproducibly obtaining a semiconductor wafer containing nitrogen at a predetermined concentration and uniformly distributed.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The object is achieved by the present invention supplies the dopant gas to the semiconductor material, comprising the step of separating the semiconductor wafer doped with nitrogen process pulling Ru single crystal from a melt of semiconductor material, from 及 Beauty pulled was single crystal , during a process for manufacturing a semiconductor wafer doped with nitrogen you derived from dopant gas containing N H _3, up to a doping material gas to the semiconductor material, a part of the drawer of a single crystal is started The problem is solved by supplying and separating the semiconductor wafer from the single crystal.
[0005]
The method according to the present invention has a more uniform axial distribution of nitrogen in the single crystal as compared with the method described in the aforementioned U.S. Pat. It has the advantage of not being outstanding. Furthermore, the method avoids that oxygen from the doping gas corrodes the black smoke-containing components in the puller, generates CO and consequently impures the semiconductor material with carbon.
[0006]
According to the present invention, the pulling during the process of the single crystal in the pulling apparatus, the maximum, until the part of the further processing is scheduled single crystal of the semiconductor wafer is pulled, the dopant gas to the semiconductor material It is suggested to make contact. The above-mentioned portion of the single crystal means a single crystal having a cylindrical shape, that is, all or almost all sections of the straight body. Advantageously, the conical sections bordering this section, ie the shoulders and tails, are not machined into semiconductor wafers. After the end of the supply of the dopant gas to the semiconductor material, the single crystal is pulled up in a conventional manner, for example in a pure inert gas atmosphere.
[0007]
If Ru more pulling the CZ method, the contact of the semiconductor material and the doping material gas is preferably the at early, should be started when the semiconductor material is placed in the crucible is completely melted. To move more FZ method, the contact of the semiconductor material and the doping material gas is preferably even early, when the movement of the so-called neck portion has already started, preferably terminates movement of the neck already and conical portion ( shoulder) the starting point should be started when you move. In this case, the supply of the doping substance gas to the semiconductor material ends before the movement of the single-crystal straight body portion starts.
[0008]
The doping gas flows through the puller at a constant flow rate and a constant concentration of NH _{3 for} a period of time. Preferably, the doping material gas is supplied in a cooled state. Also preferably, the doping substance gas is directed toward the free surface of the molten semiconductor material. For example, the gas stream may be guided close to the free surface of the melt through a cooled tube (particularly in the case of the FZ method) or through a heat shield (especially in the case of the CZ method) surrounding the single crystal to be pulled. Furthermore, it has been demonstrated that pulling a single crystal in a magnetic field in which the magnetic field lines are axially oriented is advantageous in the case of the CZ method because of the axially uniform distribution of nitrogen in the single crystal. .
[0009]
It has been found that the presence of too high a concentration of nitrogen in the melt can hinder the growth of the single crystal and that the nitrogen dissolved in the melt can in fact no longer fly away from the melt. Therefore, it is particularly advantageous not to raise the concentration of nitrogen in the single crystal to 5 × 10 ¹⁵ at / cm ³ , preferably 3 × 10 ¹⁵ at / cm ³ or more. Correspondingly, the flow rate of the doping gas through the pulling chamber, the concentration of NH _{3 in} the doping gas and the contact time between the semiconductor material and the doping gas should be selected such that the limit values are not exceeded as much as possible. is there. Typically, for example, in order to pull more one single crystal CZ method by weight of 30~120kg _NH 3 0.01~20Nl (Normliter), is sufficient preferably in total amounts 0.1~3Nl . Also since, because almost 25-50% of the nitrogen of NH ₃ that is provided is absorbed by the semiconductor material during the effective gas guiding directed to the melt surface. In the case of less effective gas guidance, the demand for doping gas increases correspondingly.
[0010]
As the doping substance gas, a gas containing NH ₃ , preferably a mixture of NH ₃ and an inert gas, particularly preferably a NH ₃ / argon mixture is prepared.
[0011]
The single crystal produced by the method described is divided into semiconductor wafers of a desired thickness by a known method, preferably using a wire saw or an inner blade saw. Usually, only sections of a single crystal having a substantially cylindrical shape are completely or partially divided into semiconductor wafers.
[0012]
【Example】
It was pulled single crystal with a diameter of more 200mm to CZ method. Prior to the start of the single-crystal straight-body growth phase, a gas mixture of 0.2% NH ₃ and argon was guided over the melt at a flow rate through the pulling chamber of 3.6 l / min. To start the straight body growth phase, the pull chamber was still flushed with argon only. Subsequent examination of the single crystal shows that the concentration of nitrogen in the region of the section of the single crystal bordering the seed crystal of about 1 × 10 ¹⁴ at / cm ³ and about 10 ^- increased value of the nitrogen concentration that only corresponds to segregation coefficient of ³ was found.

Claims

ドーピング物質ガスを半導体材料に供給し、半導体材料の溶融物から単結晶を引上げる工程、及び引上げた単結晶から窒素がドープされた半導体ウェハを分離する工程を含む、ＮＨ_３を含有するドーピング物質ガスに由来する窒素がドープされた半導体ウェハを製造する方法において、単結晶の一部の引上げが開始されるまでの間、融液に直接、ＮＨ _３を含有するドーピング物質ガスを供給し、該単結晶から半導体ウェハを分離することを特徴とする窒素がドープされた半導体ウェハの製造方法。Doping substance supplying dopant gas to the semiconductor material, step pulling a single crystal from a melt of semiconductor material, and nitrogen from the pulled was single crystal comprising the step of separating the doped semiconductor wafer, containing NH ₃ a method of nitrogen derived from the gas to produce a semiconductor wafer doped, until part of pulling of the single crystal is started, directly in the melt, supplying a dopant gas containing NH _3, and the manufacturing method of semiconductor wafer nitrogen, wherein doped separating the semiconductor wafer from a single crystal.

ドーピング物質ガスを引上げ室を通して誘導し、かつ半導体ウェハにドープされた窒素の濃度が最高５×１０^１５ａｔ／ｃｍ^３であることができるように設定した、引上げ室を通るドーピング物質ガスの貫流速度及びドーピング物質ガス内のＮＨ_３の濃度を調整することを特徴とする請求項１記載の方法。The doping material gas is guided through the pulling chamber and the flow rate of the doping gas through the pulling chamber is set such that the concentration of nitrogen doped in the semiconductor wafer can be up to 5 × 10 ¹⁵ at / cm ^3. and the method of claim 1, wherein adjusting the concentration of NH ₃ of the doping agent in the gas.

重量３０〜１２０ｋｇのＣＺ法による単結晶の引上げの際に半導体材料に供給されるＮＨ_３の量が０．０１〜２０Ｎｌであることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。The method according to claim 1, wherein the amount of NH ₃ supplied to the semiconductor material when pulling a single crystal having a weight of 30 to 120 kg by the CZ method is 0.01 to 20 Nl.

単結晶をＣＺ法により引上げ、かつ半導体材料に対するドーピング物質ガスの供給を、早くとも坩堝内に入れられた半導体材料が溶融された際に開始することを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。4. The method as claimed in claim 1, wherein the single crystal is pulled up by the CZ method, and the supply of the doping substance gas to the semiconductor material is started at the earliest when the semiconductor material put in the crucible is melted. Or the method of claim 1.

単結晶をＣＺ法により軸方向に配向された磁界内で引上げることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。5. The method according to claim 1, wherein the single crystal is pulled in a magnetic field oriented in the axial direction by the CZ method.

単結晶をＦＺ法により移動させ、かつ半導体材料に対するドーピング物質ガスの供給を、早くともネック部の移動が開始した後に開始し、かつドーピング物質ガスの供給を遅くとも、単結晶の直胴部の移動が開始する前に終了することを特徴とする請求項１又は２項記載の方法。The single crystal is moved by the FZ method, and the supply of the doping material gas to the semiconductor material is started at the earliest after the movement of the neck portion is started, and the supply of the doping material gas is moved at the latest even if the supply of the doping material gas is delayed. 3. The method according to claim 1, wherein the method is terminated before starting.